Tema 2: Sistemas Materiales

1) Teoría Cinético- molecularLa teoría cinético-molecular es una teoría basada en las propiedades de los gases que se usa para tratar de explicar fenómenos macroscópicos a través de la estructura interna microscópica de los mismos.La materia está formada por átomos y moléculas. Los átomos se unen entre sí mediante unas fuerzas muy grandes y difíciles de romper, llamadas enlace químico. Pero las moléculas también se unen entre sí mediante unas fuerzas, más débiles, que se llaman fuerzas intermoleculares.

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Animación /Unidad 2 Interactivo 31/ Teoría

cinética

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2) Estados de agregación de la materia: cambios de estadoToda los sistemas materiales se pueden presentar en los 3 posibles estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso según las condiciones externas a las que se encuentre (sobre todo la temperatura y la presión como se podrá ver más adelante). La intensidad de sus fuerzas intermoleculares determinará en que estado de agregación se presente un determinado sistema material.Cuando un sistema material cambia de estado la masa del sistema permanece constante pero el volumen varía con lo que variará su densidad.A nivel macroscópico las propiedades de los sistemas materiales son:

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2) Estados de agregación de la materia: cambios de estadoModificando las condiciones externas, es decir la presión y la temperatura, la materia pasa de un estado a otro, produciéndose los siguientes cambios de estado de la materia:

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2) Estados de agregación de la materia: cambios de estadoA continuación, trataremos de explicar las propiedades de los estados de agregación según la teoría cinética molecular, es decir, considerando las moléculas y átomos que componen la materia y las fuerzas intermoleculares que las mantienen unidas.

2.1) SólidoLos átomos y moléculas que forman los sólidos están ordenadas en el espacio, formando lo que se llama estructura cristalina. Esa estructura cristalina se manifiesta en el sólido haciendo que éste tenga una forma geométrica. Así, por ejemplo, los granos de sal son pequeños cubos y los minerales tienen formas regulares. Pero la mayoría de las veces esta forma geométrica es tan pequeña que se precisa el empleo de un microscopio para poder verla.

Esto no significa que las moléculas y átomos que forman los sólidos estén en reposo. Debido a la temperatura, se están moviendo continuamente (como todos los átomos y moléculas). Pero los átomos están enlazados por unas fuerzas que impiden que se muevan libremente y sólo pueden vibrar, pero sin separarse demasiado de su posición, como si estuvieran unidas mediante un muelle que se encoje y expande continuamente.

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2) Estados de agregación de la materia: cambios de estado2.2) LíquidoUn líquido, como un sólido, es incompresible, de forma que su volumen no cambia. Pero al contrario que el sólido, el líquido no tiene una forma fija, sino que se adapta al recipiente que lo contiene.

En el líquido, los átomos y moléculas no están unidos tan fuertemente como en el sólido. Por eso tienen más libertad de movimiento y, en lugar de vibrar en un sitio fijo, se pueden desplazar y moverse, pero siempre se desplazan y mueven una molécula junto a otra, sin separarse demasiado. Es como si estuvieran bailando, de forma que se pueden mover, pero siempre cerca una de otra.En la superficie del líquido, las moléculas que lo forman se escapan al aire, el líquido se evapora. Si el recipiente que contiene el líquido está cerrado, las moléculas que se han evaporado pueden volver al líquido, y se establece así un equilibrio, de forma que el líquido no se pierde. Si el recipiente está abierto, las moléculas que escapan del líquido al aire son arrastradas por éste y no retornan al líquido, así que la masa líquida acaba por desaparecer. Es por esto que las ropas se secan y más rápidamente cuanto más viento haya, ya que el viento ayuda a arrastrar las moléculas que se han evaporado.

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2) Estados de agregación de la materia: cambios de estado2.3) GasesSi los sólidos tienen una forma y un volumen fijos y los líquidos un volumen fijo y una forma variable, los gases no tienen ni una forma fija ni un volumen fijo. Se adaptan al recipiente que los contiene y, además, lo ocupan completamente. Si el recipiente que ocupa el gas es flexible o tiene una parte móvil, resulta fácil modificar su forma y su volumen, alterando la forma y volumen del gas que hay en su interior.En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño. Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene

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3) Temperatura y presión según la teoría cinético molecularEn la primera parte del tema ya definimos varias magnitudes importantes a la hora de definir la materia (masa, volumen y densidad). En este apartado definiremos otras dos magnitudes muy importantes a la hora de conocer cómo se presentan los sistemas materiales que son la temperatura y la presión

3.1) TemperaturaLa Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor.Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros.Actualmente se utilizan tres escalas para medir al temperatura, la escala Celsius es la que todos estamos acostumbrados a usar, la Fahrenheit se usa en los países anglosajones y la escala Kelvin de uso científico.

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3) Temperatura y presión según la teoría cinético molecular3.1) TemperaturaVisto desde el punto de vista de la teoría cinético molecular la temperatura de un cuerpo es una magnitud relacionada con la velocidad o agitación (energía cinética) a la que se mueven las moléculas que lo constituyen. Cuanto mayor es la temperatura, con mayor velocidad se mueven las moléculas y, a menor temperatura, menor es la velocidad. Cuando las moléculas no se mueven, se ha alcanzado la temperatura más baja posible, que es -273 ºC (0 grados kelvin denominado cero absoluto)

Sólido Líquid

oGas

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3) Temperatura y presión según la teoría cinético molecular3.2) PresiónLas partículas de los gases colisionan en su movimiento caótico contra las paredes del recipiente. La presión es una magnitud física que es explicada como el resultado macroscópico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las moléculas del gas con las paredes del contenedor. A mayor número de choques y mayor energía de estos contra las paredes del recipiente mayor en la presión de un material.

Meteorología sencilla

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Animación /32a/ Presión y teoría cinética

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4) Cambios de estado según la teoría cinético molecular4.1) Influencia de la temperaturaLos estados de agregación no son fijos e inmutables. Dependen de la temperatura. Si sacamos hielo del congelador, estará a -10 ó -20ºC. Empieza a calentarse, pero seguirá siendo hielo. Cuando la temperatura alcance los 0 ºC empezará a fundirse, ya que 0 ºC es la temperatura de fusión del hielo, es el punto de fusión. Tendremos entonces hielo y agua a 0 ºC. Mientras haya hielo y agua, la temperatura será de 0 ºC, por mucho que lo calentemos, porque mientras se produce el cambio de estado la temperatura permanece fija.

Una vez que se ha fundido todo el hielo, el agua, que estaba a 0 ºC empezará a subir de temperatura otra vez y cuando llegue a 100 ºC empezará a hervir, ya que 100 ºC es la temperatura de ebullición del agua, es su punto de ebullición. Puesto que se está produciendo un cambio de estado, la temperatura no variará y mientras el agua hierva, permanecerá constante a 100 ºC. Cuando todo el agua haya hervido y sólo tengamos vapor de agua, volverá a subir la temperatura por encima de los 100 ºC.

Lo mismo ocurrirá a la inversa. Si enfriamos el vapor de agua, cuando su temperatura alcance los 100 ºC empezará a formar agua líquida y su temperatura no cambiará. Cuando todo el vapor se haya convertido en agua, volverá a bajar la temperatura hasta llegar a 0 ºC, a la que empezará a aparecer hielo y que quedará fija. Cuando toda el agua se haya convertido en hielo, volverá a bajar la temperatura. Es decir, mientras se produce un cambio de estado la temperatura permanece fija y constante, siendo la misma tanto cuando enfriamos como cuando calentamos, aunque cada sustancia cambiará de estado a una temperatura propia.

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4) Cambios de estado según la teoría cinético molecular4.1) Influencia de la temperatura-En el estado sólido las partículas están ordenadas y se mueven oscilando alrededor de sus posiciones. A medida que calentamos el sólido (aumentamos su temperatura), las partículas aumentan su velocidad aumentando su energía cinética pero conservan sus posiciones. Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión (0ºC en caso del agua) la velocidad de las partículas es lo suficientemente alta para que algunas de ellas puedan vencer las fuerzas de atracción del estado sólido y abandonan las posiciones fijas que ocupan. La estructura cristalina se va desmoronando poco a poco. Durante todo el proceso de fusión del hielo la temperatura se mantiene constante.- En el estado líquido las partículas están muy próximas, moviéndose con libertad y de forma desordenada. A medida que calentamos el líquido, las partículas se mueven más rápido y la temperatura aumenta. En la superficie del líquido se da el proceso de vaporización, algunas partículas tienen la suficiente energía para escapar. Si la temperatura aumenta, el número de partículas que se escapan es mayor, es decir, el líquido se evapora más rápidamente.Cuando la temperatura del líquido alcanza el punto de ebullición, la velocidad con que se mueven las partículas es tan alta que el proceso de vaporización, además de darse en la superficie, se produce en cualquier punto del interior, formándose las típicas burbujas de vapor de agua, que suben a la superficie. En este punto la energía comunicada por la llama se invierte en lanzar a las partículas al estado gaseoso, y la temperatura del líquido no cambia (100ºC).- En el estado de vapor, las partículas de agua se mueven libremente, ocupando mucho más espacio que en estado líquido. Si calentamos el vapor de agua, la energía la absorben las partículas y ganan velocidad, por lo tanto la temperatura sube.

Lo mismo ocurrirá a la inversa si la temperatura desciende en vez de aumentar

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4) Cambios de estado según la teoría cinético molecular

4.1) Influencia de la presiónCuando sobre un gas se aumenta la presión se disminuye la distancia que hay entre las partículas y , por tanto, aumenta la fuerza de atracción entre ellas. Puede ocurrir que tanto aumentar la presión del gas se produzca un cambio de estado a líquido. Si continua el proceso en el caso del líquido podríamos provocar el cambio de estado a sólido (este proceso también es aplicable si se disminuye la presión provocándose el cambio de manera inversa sólido-líquido-gas).

Libros Vivos (código 126173)Animación /33/ Presión y

temperatura en los cambios de estado

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5) Leyes de los gasesEn esta parte del tema trataremos de analizar qué relación existe entre la presión, volumen y temperatura de un material de acuerdo a tres leyes fundamentales de la materia: la ley de Boyle-Mariotte, la ley de Charles y de ley de Gay-Lussac. 5.1) Ley de Boyle-Mariotte

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

En un proceso a temperatura constante (proceso isotermo) Al aumentar el volumen de un gas, las moléculas que lo componen se separarán entre sí y de las paredes del recipiente que lo contiene. Al estar más lejos, chocarán menos veces y, por lo tanto, ejercerán una presión menor. Es decir, la presión disminuirá. Por el contrario, si disminuye el volumen de un gas las moléculas se acercarán y chocarán más veces con el recipiente, por lo que la presión será mayor. La presión aumentará.

Es una ley que analiza la variación de la presión y el volumen cuando la temperatura permanece constante (proceso isotermo)

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5.2) Ley de CharlesFue descubierta en 1787 por Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante (proceso isóbaro) y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía

Si el recipiente puede agrandarse o encogerse (variar su volumen), al aumentar la temperatura y producirse más choques, estos harán que el recipiente se expanda, por lo que el volumen de gas aumentará. Y por el contrario, si la temperatura disminuye, el volumen también disminuirá. Siempre que la presión no cambie.

Es una ley que analiza la variación de la temperatura y el volumen cuando la presión permanece constante (proceso isóbaro)

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5.3) Ley de Gay-LussacFue descubierta en 1800 por Joseph Louis Gay-Lussac quien estudió por primera vez la relación entre la presión y la temperatura de una muestra de gas a volumen constante (proceso isócoro, isocórico o isométrico) y observó que cuando se aumentaba la temperatura la presión del gas también aumentaba y que al enfriar la presión disminuía

Al aumentar la temperatura de un gas, sus moléculas se moverán más rápidas y no sólo chocarán más veces, sino que esos choques serán más fuertes. Si el volumen no cambia, la presión aumentará. Si la temperatura disminuye las moléculas se moverán más lentas, los choques serán menos numerosos y menos fuertes por lo que la presión será más pequeña.

Es una ley que analiza la variación de la temperatura y el presión cuando el volumen permanece constante (proceso isócoro, isocórico o isométrico)